科羅拉多大學博爾德分校的研究團隊開發了一種用於量子電腦的新型光學相位調製器。他們的研究成果於2025年12月8日發表在學術期刊《自然通訊》。這項研究由博士生傑克·弗里德曼和馬特·艾肯菲爾德教授領導，桑迪亞國家實驗室的尼爾斯·奧特斯特羅姆也參與其中。
該元件比人類頭髮絲的寬度薄100倍，並採用CMOS製造製程在200毫米晶圓上製造。它利用微波頻率振盪，以2.31吉赫茲的頻率調製730奈米波長的可見光。與現有商用調變器相比，它所需的微波功率大約低100倍，在80毫瓦的功率下即可達到高達4.85弧度的調變深度。它相容於超過500毫瓦的光功率。
利用囚禁離子或囚禁中性原子的量子電腦需要極其精確的雷射頻率控制來控制量子位元。該計畫得到了美國能源部量子系統加速器計畫的支持。
從： 
這枚微小的晶片可能會改變量子運算的未來。
【社論】
量子電腦實際應用的主要障礙之一是用於控制量子位元的雷射系統體積龐大且功耗高。這項研究有望克服這一障礙。
目前最有前景的量子電腦方法是利用囚禁離子或囚禁中性原子作為量子位元。為了精確控制這些原子，需要使用頻率精度達到十億分之一的雷射。然而，迄今為止，實現如此精確的頻率控制需要使用體積龐大的桌面級設備。
該研究團隊開發的聲光相位調製器將壓電換能器和光子波導整合到單一波長尺度的結構中。此長度僅2毫米的裝置與現有商用產品相比，可將微波功率降低約100倍，同時維持或提升效能。論文指出，調變性能指標Vπ值也提高了15倍。
尤其值得注意的是，這項技術是利用CMOS製造流程來實現的。能夠在與智慧型手機和電腦處理器相同的生產線上進行大規模生產，這意味著成本將大幅降低，品質也將更加穩定。雖然量子電腦目前仍需在實驗室中手工製造，但這項技術使工業規模化生產成為可能。
降低功耗可直接減少發熱量，從而允許在單一晶片上整合更多光通道。這種可擴展性對於未來能夠控制數千甚至數百萬個量子位元的大規模量子電腦至關重要。
研究團隊的下一步是開發一個完整的光子電路，該電路整合了頻率產生、濾波和脈衝整形功能，然後與量子計算公司進行現場測試，這標誌著量子電腦商業化邁出了重要的一步。
[術語]
量子比特（qubit）
量子計算機是資訊的基本單元。經典電腦中的一個位元只能是0或1，而一個量子位元可以同時處於這兩種狀態，即0和1的疊加態。這項特性使得量子電腦在某些問題上能夠實現遠超傳統計算機的運算能力。
離子捕獲/中性原子捕獲技術利用電磁場或雷射捕獲原子，並將原子用作量子電腦中的量子位元。離子是帶電荷的原子，而中性原子是不帶電荷的原子。這些原子不易受外部雜訊幹擾，且其量子態可以被高精度地控制，因此被認為是一種很有前景的量子電腦實現方法。
光學相位調製器<br>一種控制雷射相位（波峰和波谷的時間）的裝置。透過改變相位，可以精確調節光的頻率和方向。量子電腦需要極其精確調諧的雷射來操控原子（原子充當量子位元），因此高性能的相位調製器至關重要。
聲光效應<br>一種現象，指光的性質因聲波（機械振動）與光的相互作用而改變。聲波會造成材料內部週期性的密度變化，這種變化如同光的衍射光柵，從而可以控制光的頻率和方向。本研究採用了吉赫茲範圍內的微波頻率振動。
CMOS製造<br>一種採用互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的半導體製造製程。它是製造幾乎所有現代微處理器和儲存晶片的標準技術，能夠實現高良率、低成本的大規模生產。利用這項技術製造量子電腦組件的能力，標誌著量子電腦商業化邁出了重要一步。
光子學<br>利用光子的技術總稱。使用光代替電子進行資訊傳輸和處理有望提高速度並降低功耗。整合光子學是將光學元件整合到晶片上的技術，在光通訊和量子資訊處理等領域正變得越來越重要。
Vπ (V-Pi)
這是相位調製器性能的指標。它表示將光相位改變π弧度（180度）所需的電壓。該值越小，用更少的功率就能更有效地控制光，顯示該裝置節能高效。
[參考連結]
科羅拉多大學博爾德分校（外部）
這是一所位於科羅拉多州博爾德市的公立研究型大學，以其在物理學、工程學和太空科學領域的卓越成就而聞名，並被譽為量子工程研究中心。
桑迪亞國家實驗室（外部）
它是美國能源部下屬的國家研究機構，從事國家安全、能源和環境技術的研究與開發，並在量子技術和先進光子學研究領域中發揮主導作用。
自然通訊（外部）
這是一份由自然研究出版的開放取用學術期刊，是一份國際知名的學術期刊，涵蓋自然科學的各個方面，並發表高品質的同行評審研究論文。
量子系統加速器（外部）
由美國能源部支持的國家量子計畫科學研究中心，旨在將量子計算、量子感測和量子網路商業化。
[參考文章]
在CMOS製造的光子電路中實現吉赫茲頻率可見光的聲光相位調變（外部）
發表在《自然通訊》上的原始論文提供了技術細節，說明如何在 80 毫瓦的功率下實現 4.85 弧度的調製深度，與商業產品相比，功率降低了 100 倍。
[編者註]
量子電腦的實際應用不再是遙不可及的夢想，我們已經進入了探討如何實現這一目標的階段。這項研究展示了一種切實可行的方案：將量子電腦與現有的半導體製造技術結合。試想一下，未來量子電腦的核心零件將與您每天使用的智慧型手機在同一條生產線上製造。
當這項技術投入實際應用時，我們的社會和產業將會發生什麼樣的變化？歡迎加入我們，一同探討量子運算帶來的無限可能。
